2 Анализ факторов и процессов, влияющих на изменение свойств материала стрелково – пушечного вооружения

2.1 Влияние атмосферных и климатических условий на эксплуатационные свойства стрелково-пушечного вооружения

Современное стрелково-пушечное вооружение эксплуатируется в различных атмосферных и климатических условиях. Поэтому при проектировании и производстве надо учитывать влияние на долговечность вооружения влаги, тепла, холода, света, пыли, песка, пониженного и высокого давления, радиации и других факторов.

Влага, постоянно содержащаяся в атмосфере, ускоряет коррозию металлов, способствует гидролизу и вследствие этого вызывает различные физико-механические повреждения вооружения.

В реальных условиях эксплуатации вооружения материалы большинства деталей не подвергаются непрерывному увлажнению. Периодические изменения влажности воздуха вызывают изменения свойств материала. В органических материалах при этом наблюдаются остаточные изменения вследствие того, что скорость поглощения влаги материалом больше скорости потери влаги при прочих равных условиях. В конечном итоге после серии периодических увлажнений и высыханий можно ожидать необратимых изменений в свойствах материалов. Всякое изменение температуры сопровождается изменением геометрических размеров детали, что следует учитывать при проектировании и производстве стрелково-пушечного вооружения. Отклонения в размерах твердых тел часто сопровождаются структурными изменениями, которые зависят от технологического процесса, принятого при изготовлении матери­ала. В материале могут продолжаться физико-химические процессы или оставаться внутренние напряжения. Нагрев и охлаждение материала в определенных пределах температуры могут значительно снизить внутренние напряжения.

Стабилизация материалов происходит наиболее эффективно при одновременном действии температурных циклов и механических напряжений. Все же полностью устранить структурные изменения в материалах не удается.

Адсорбированная влага внутри материала более опасна, чем адсорбированная на поверхности, по той причине, что при кратковременном просушивании влага не удаляется. Материал, содержащий влагу, кроме ухудшения механических и химических качеств имеет и повышенную скорость старения.

Действие тепла и холода, прежде всего, приводит к измене­ниям размеров деталей. При однородном материале все размеры детали получают пропорциональные приращения от повышения температуры, и форма детали не искажается. Деформация происходит тогда, когда материал детали неоднороден, когда температура отдельных мест неодинакова или когда к детали приложена механическая нагрузка.

При сопряжении разнородных материалов, например пластмасс и металлов, компенсировать температурную деформацию можно путем подбора материалов и размеров деталей механизма. Предельно допустимые температуры пластмасс при таких условиях могут достигать величин, указанных в таблице 1.

Таблица 1 - Предельно допустимая температура пластмасс

Группа пластмасс	Температура в 0С	Примечание
Пластмассы на основе полистирола и полиметилметакрилата Ацетилцеллюлозные пластмассы Литые фенопласты Карбомидные пластмассы Фенопласты Меламиноформальдегидные пластмассы Фенопласты	65-75 59-60 70 75 120 150 150	- В зависимости от количества и типа пластификатора С целлюлозным наполнителем С древесным и тканевым наполнителем С минеральным наполнителем С асбестовым наполнителем

Коэффициент линейного расширения пластмасс отличается от коэффициентов линейного расширения металлов и сплавов. Коэффициент линейного расширения металлов, применяемых совместно с пластмассами, примерно на один порядок меньше. Таким образом, различие в свойствах металлов и пластмасс при изменении температуры приводит к образованию зазоров между этими материалами. Зазоры способствуют проникновению влаги в опрессованные или герметизированные в пластмассу изделия.

Пластмассы выдерживают низкую температуру не разрушаясь, хотя их прочность на удар и разрыв с понижением температуры понижается. Морозостойкость пластиков на основе полихлорвинила и сополимеров хлорвинила с винилацетатом находится в пределах от —15 до —50⁰С и зависит от типа и количе­ства введенного пластификатора. Морозостойкость полиэтилена достигает —78⁰С, политетрафторэтилен не изменяет заметно эластичности и при температуре —100⁰С [7].

Особенно вредно действуют отрицательные температуры, периодически чередующиеся с положительной (зона пустынь, где дневная жара сменяется ночными заморозками). При резких колебаниях температуры на поверхности стрелково-пушечного вооружения и его внутренних частях конденсируется влага, которая адсорбируется через микрокапилляры и проникает в зазоры между деталями. При низкой температуре вода, заполняющая трещины, поры и зазоры, замерзает и, расширяясь, вызывает дальнейшее увеличение пор, трещин, зазоров. Низкая температура, как правило, увеличивает пусковые моменты машин вследствие загустевания смазки. Механизмы могут заклиниваться от изменения зазоров между деталями, материалы которых имеют различные коэффициенты линейного расширения.

Способность пластмасс длительно выдерживать статические нагрузки зависит от температуры материала. Разрушение материала происходит постепенно, в течение всего времени действия приложенной силы, причем определяющим фактором является тепловое движение частиц материала.

Влажность резко ухудшает теплоизоляционные свойства материала. Вода, проникая в материал, вытесняет воздух из пор и ячеек. Коэффициент теплопроводности воды в 2,5 раза больше коэффициента теплопроводности воздуха, поэтому даже небольшое увлажнение материала вызывает резкое увеличение коэффициента его теплопроводности [8].

Вред, причиняемый коррозией металла, определяется не только потерями металла и снижением механической прочности конструкций, но и уменьшением точности и сокращением сроков работы механизмов. Продукты коррозии загрязняют детали, снижают механические характеристики и портят внешний вид вооружения.

На механизм разрушения стрелково-пушечного вооружения, установленного на открытом воздухе, влияет ряд факторов, зависящих от атмосферных осадков (дождь, снег, вихревые влажные потоки воздуха), ударного их действия, загрязнения атмосферы, разности электрохимических потенциалов примененных металлов.

Существует некоторая критическая относительная влажность воздуха, выше которой при прочих равных условиях наступает резкое возрастание коррозии металла. Критическая относительная влажность, по некоторым данным, для стали находится в пределах 65—70%.

При влажности выше 70% конденсирующаяся на поверхности металла влага начинает создавать адсорбционную пленку, которая играет роль растворителя агрессивных агентов среды; в то же время при влажности выше критической начинается разрушение оксидной пленки, покрывающей металл.

Коррозия в атмосферных условиях интенсивно начинается при влажности, близкой к 100%, когда происходит конденсация водяных паров. Коррозия металлических деталей развивается более интенсивно, когда внутри изделия накапливаются газообразные вещества, получающиеся в результате окислительного процесса высокомолекулярных смол при высыхания лакокрасочных покрытий.

Ориентировочные данные скорости коррозии материалов в зависимости от состава окружающей среды приведены в таблице 2.

С коррозией в водных средах приходится встречаться реже, чем с атмосферной коррозией. Только некоторые специализированные машины эксплуатируются в водной среде или охлаждаются водой. Чаще в процессе эксплуатации стрелково-пушечное вооружение подвергается кратковременным погружениям в воду. Наиболее тяжелые условия при такого рода погружениях возникают тогда, когда температура изделия значительно выше температуры воды. Скорость коррозии в водных средах зависит от материала, состава и физических свойств воды, растительных и животных организмов, всегда имеющихся в воде, ее подвижности, периодического или постоянного смачивания изделия и других факторов второстепенного значения. При температуре воды, близкой к нормальной, коррозия железа в пресной воде определяется концентрацией растворенного в ней кислорода. Чтобы понизить агрессивность применяемой для охлаждения воды, ее предварительно пропускают через железо, реагирующее с растворенным в ней кислородом. Если в воде имеются бактерии, восстанавливающие сернокислые соли, то железо может корродировать и при отсутствии кислорода. Такие бактерии часто встречаются в глубоких колодцах, в почве, в морской воде. В хлорированной воде бактерии не размножаются. Многие бактерии, грибки, образующие слизь, и водоросли способствуют коррозии металлов путем образования пленки, состоящей из самих организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Среднюю скорость коррозии стального листа, погруженного в вертикальном положении в морскую воду, можно считать равной примерно 25 мг/дм² сутки.

Среди сортов латуни лучшие характеристики в условиях полного погружения в морскую воду имеют сплавы, содержащие от 65 до 85% меди. Сплавы меди с оловом хорошо сопротивляются коррозии в морской воде. В сплавах меди с никелем стойкость против коррозии возрастает. Титан является наиболее стойким из всех материалов к действию соленой воды и морской атмосферы.

Морская вода обладает хорошей электропроводностью. Поэтому при сочетании разных металлов и сплавов, подвергающихся действию морской воды, приходится учитывать повреждения от гальванической коррозии. Кальций, магний и стронций, присутствующие в морской воде, могут осаждаться в виде углекислых солей на катодных поверхностях и снижать ее гальваническое действие [6].

Таблица 2 – Стойкость металлов к атмосферной коррозии

Материал	Возникновение продуктов коррозии	Стойкость к атмосферной коррозии
Углеродистые и слаболегированные стали, чугун.	Без поверхностной защиты быстро покрываются ржавчиной (Fe2O3•H2O).	Величина коррозии в год: в чистой сухой атмосфере 0-5 мкм и во влажной загрязненной (город) 100 мкм, в сильно загрязненной промышленной (промышленной на побережье до 1 км) 100 мкм.
Нержавеющие стали (не менее 13% Cr).	Продукты коррозии не возникают; они появляются лишь в исключительных случаях у плохо отшлифованных сталей без никеля.	Величина коррозии в атмосфере всех типов незначительная.

Продолжение таблицы 2

Медь и сплавы меди (бронза и латунь).

В чистой сухой атмосфере образуется цветная пленка; в загрязненной атмосфере в течение нескольких дней возникают красные (Cu2O), затем черные (CuO) продукты коррозии, в наружной атмосфере зеленеют (медянка); продукты коррозии неэлектропроводны.

Величина коррозии меди (более 99% Cu) в год: в чистой сухой атмосфере 2 мкм, в умеренно загрязненной 3-40 мкм, на побережье 4-10 км (наибольшая величина коррозии в атмосфере, содержащей Н2S). Бронза имеет стойкость того же порядка, что и медь; образование продуктов коррозии более медленно; стойкость различных видов бронзы мало отличается. Латунь обычного типа( 58-64% Cu) корродирует несколько быстрее, чем чистая медь. Латунь с меньшим содержанием меди при механической нагрузке и обработке в холодном состоянии иногда ломается (особенно в присутствии NH3), на побережье (при соприкосновении с морской водой) имеется опасность разрушения цинка в латуни; ее можно уменьшить присадкой мышьяка и сурьмы в малых количествах. Сплавы с никелем более стойки; их обычно можно применять без поверхностной защиты.

Продолжение таблицы 2

Алюминий и его сплавы.	В чистой сухой атмосфере продукты коррозии не образуются; в атмосфере, загрязненной хлоридами или пылью быстрое возникновение рыхлых продуктов коррозии.	Величина коррозии в год: в незагрязненной атмосфере 1 мкм, в промышленной 1-9 мкм, на побережье 3-12 км, коррозия имеет вид мелких точек глубиной до 0,02 мм.
Цинк и его сплавы.	В сухой атмосфере продукты коррозии почти не возникают; в жаркой влажной атмосфере быстро появляются рыхлые продукты коррозии – основные соли; стойкость сплавов различных типов и различной чистоты различна.	Величина коррозии в год: в чистой сухой атмосфере (пустыня, сухие тропики) 0,5 мкм, в чистой влажной атмосфере 5 мкм, в приморье 4-20 мкм, в загрязненной промышленной атмосфере 4-15 мкм.
Никель и его сплавы с медью и цинком.	В чистой влажной атмосфере продукты коррозии не образуются; в промышленной атмосфере появляются тонкие слои продуктов коррозии.	Величина коррозии в год: в чистой атмосфере 1 мкм, в загрязненной 1-5 мкм, в приморье 3 мкм.
Магний и его сплавы.	В сухой атмосфере стойкие; имеется значительная разница в стойкости металлов различной чистоты и с различной поверхностной защитой; в загрязненной атмосфере и приморье быстро покрываются рыхлыми белыми продуктами коррозии.	Величина коррозии в год 50 мкм, особенно быстро разрушаются в приморье (более стойкие сплавы с кремнием).

Во влажном климате, особенно в тропических областях, приобретает особое значение электрохимическая коррозия контактных соединений металлов. Часто материалы, применяемые отдельно, не имеют заметных следов коррозии, но при соприкосновении друг с другом в тех же условиях их поверхность подвергается коррозии.

Образцы из пассивированного алюминия марки АОМ и винты из латуни марки Л62 выдерживали испытание в камере влажности без местных коррозионных повреждений. В то же время контактные соединения этих материалов подвергались заметным повреждениям; более сильно была выражена коррозия алюминия и менее заметно коррозия латуни. Контактное соединение меди марки М-1 с травленой и пассивированной сталью 10 вызывает сильную коррозию стали. Бронза марки Бр.КМц 3-1 и пассивированный дуралюмин марки Д16 в закаленном и состаренном состоянии, не корродировавшие в субтропических условиях, заметно корродировали в контактных соединениях.

Подобные повреждения металлов, соприкасающихся между собой, достаточно многочисленны в практике. При соприкосновении разных металлов во влажной атмосфере образуются электрохимические микропары. Один металл является анодом, влажная пленка – электролитом и другой металл – катодом. Чем дальше в электрохимическом ряду напряжений стоят друг от друга металлы, т. е. чем больше между ними разность потенциалов, тем больше вероятность контактной коррозии. Роль анода (менее благородный металл), разрушающегося более интенсивно, играет металл с более отрицательным потенциалом.

При выборе контактных пар металлов практическое значение имеет поведение не относительно чистых металлов, а металлов определенных промышленных марок и металлов с покрытиями.

Эффект коррозии зависит от отношения площади более благородного металла (катодного) к площади менее благородного (анодного). Следует стремиться к тому, чтобы площадь более благородного металла была меньшей. Лучше применять (если это необходимо) медную заклепку в стальной пластине, чем стальную в медной пластине.

Коррозию паяных швов следует рассматривать в основном как контактную, при которой припой (паяный шов) имеет значительно меньшую поверхность, чем спаиваемый металл. Если припой (ПОС-40, ПСР-45) является анодом, то процесс коррозии развивается гораздо интенсивнее, чем в парах, где припой является катодом. Для увеличения срока службы паяного изделия следует выбирать припой с более высоким потенциалом, чем спаиваемые металлы. В этом случае будут незначительно разрушаться спаиваемые металлы, а паяный шов будет защищен.

Коррозионная стойкость припоев в сельской местности приблизительно в 1,5 раза выше, чем в промышленных районах. Для алюминиевых припоев характерно увеличение стойкости с повышением температуры. Испытания, проведенные в районе г. Батуми, показали большую стойкость этих припоев, чем в условиях севера.

Следует иметь в виду, что соприкосновение некоторых сортов древесных пород с металлами вызывает коррозию последних, например дуб, каштан и западную тую не следует применять в соединении с железом, сталью, алюминием и его сплавами, свинцом и свинцовыми сплавами. Некоторые сорта фанеры выделяют активные вещества (вероятно, жирные кислоты), интенсивно действующие на металл, главным образом на цинк, стали и кадмий.

Влияние света на материалы заключается главным образом в химическом разложении некоторых органических материалов – пластмасс, красителей, тканей. Свойства подавляющего большинства синтетических материалов под влиянием света, особенно вместе с дождем и ветром, ухудшаются, причем происходит поверхностное окисление материалов с образованием полярных групп. При одновременном действии облучения и влажности существенно ускоряются физико-химические изменения некоторых материалов [7].

Ультрафиолетовые лучи являются очень сильным катализатором реакции окисления. Такое окисление наблюдается у многих материалов, например у полиэтилена, полистирола. Под действием солнечных лучей происходит также частичное химическое разложение полимеров, содержащих хлор, например поливинил-дехлорида, полихлорвинила. Наибольшее действие солнечные лучи оказывают на нитроцеллюлозные пластмассы. Полиметилметакрилат быстро стареет под действием инфракрасного излучения.

Некоторые виды термореактивных пластмасс подвержены разрушительному действию ультрафиолетового излучения. При этом наблюдаются изменения основного органического компонента материала и изменение цвета.

Введение в пластмассу стабилизирующих составляющих часто значительно удлиняет срок службы изделий в этих условиях. Стойкость полиэтилена к действию света можно значительно повысить введением в него газовой сажи (около 0,1%).

Непосредственное действие солнечного света на натуральную резину ведет к образованию корки на ее поверхности. Растрескивание резины происходит главным образом под действием озона. Разрушающее действие озона особенно сильно сказывается на натуральном и нитрильных каучуках. Бутиловые, неопреновые и полисульфидные резины более устойчивы к озону.

Синтетические резины значительно более устойчивы к действию ультрафиолетовых лучей. Свет не оказывает заметного влияния на поверхность дерева, но продолжительная эксплуатация деталей, изготовленных из дерева, при облучении их ультрафиолетовыми лучами может привести к некоторым изменениям поверхностных слоев древесины.

Свет влияет на скорость атмосферной коррозии, например цинка, у которого выявлено сильное замедление коррозии при действии солнечного света. Цинк на внешних деталях значительно устойчивее в отношении коррозии, чем на внутренних, не освещенных, особенно при повышенной влажности воздуха.

Гигроскопическая пыль приносит из влажного воздуха на поверхность металла частицы воды. Пыль многих материалов, например, угля, поглощает из атмосферы активные газы и переносит их на поверхность металла. Таким образом, как органическая, так и неорганическая пыль в равной мере способствует коррозии и износу металла. В точных механизмах и измерительных приборах пыль увеличивает трение и вследствие этого снижает их точность. На лакокрасочных покрытиях увлажненная пыль вызывает медленную химическую реакцию, в результате которой лаковая пленка тускнеет [5].

Частицы песка влияют на срок службы механизмов главным образом в результате абразивного эффекта. Самое неблагоприятное действие оказывают частицы порядка 15 мкм.